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高通量表型組技術助力馬鈴薯育種突破：揭示雄性育性與產量遺傳機制

2024/10/8

表型組學是指通過高通量技術對植物的性狀進行系統化、精準化的測量和分析。能夠結合基因組學等其他組學數據，深入揭示基因與表型之間的關系，有助于作物育種研究。雜種優(yōu)勢是指雜交子代在生長勢、生活力、繁殖力、抗逆性以及產量和品質等方面表現出優(yōu)于雙親的特性，是生物界普遍存在的一種遺傳現象。在農業(yè)生產中，利用雜種優(yōu)勢可以培育出更高產、更優(yōu)質的農作物品種，為保障糧食安全和促進農業(yè)發(fā)展發(fā)揮重要作用。

高通量表型組技術助力馬鈴薯育種突破：揭示雄性育性與產量遺傳機制

圖1 高通量表型組采集技術流程

2024年10月5日，中國農業(yè)科學院深圳農業(yè)基因組研究所（基因組所）黃三文、張春芝課題組聯合華中農業(yè)大學楊萬能課題組在Nature Communications期刊上發(fā)表了題為“Integrative multi-omics analysis reveals genetic and heterotic contributions to male fertility and yield in potato”的研究論文，通過對二倍體雜交馬鈴薯“優(yōu)薯1號”F₂群體的大規(guī)模遺傳與多組學分析，解析了其產量與育性雜種優(yōu)勢產生的遺傳機理，克隆了對馬鈴薯育性雜種優(yōu)勢具有重要作用的顯性效應基因PV1，為馬鈴薯雜交育種提供了寶貴的遺傳資源。

高通量表型組技術助力馬鈴薯育種突破：揭示雄性育性與產量遺傳機制

圖2 文章研究思路

在前期研究中，黃三文團隊已經建立了二倍體馬鈴薯雜種優(yōu)勢利用育種體系^[1,2]，但是雜種優(yōu)勢形成的遺傳機制尚不清楚。在該研究中，作者對雜種優(yōu)勢顯著的二倍體雜交種“優(yōu)薯1號”進行自交，創(chuàng)制了一份包含1064個單株的F₂分離群體，可通過組培長期保存，并進行多年多點重復評價，該群體是研究馬鈴薯雜種優(yōu)勢機理的理想群體。作者首先廣泛調查了該群體的多組學性狀，包括人工調查的產量相關性狀（株高、塊莖大小、塊莖數量等）、基于表型組學技術采集的性狀（塊莖高光譜、結構光等）以及塊莖轉錄組與代謝組共20,382個性狀。通過遺傳與多組學分析，鑒定到25,770個QTL，并構建了馬鈴薯系統遺傳學（Systems Genetics）調控網絡。利用該網絡，作者快速高效地鑒定到調控該群體塊莖茄堿積累的轉錄因子GAME9，證明了這套遺傳網絡在馬鈴薯基因挖掘方面的潛力。

隨后，對鑒定到的所有QTL進行雜種優(yōu)勢效應分析發(fā)現，育性/塊莖產量與代謝物含量呈現出相反的遺傳效應。控制產量和花粉育性的QTL主要呈現顯性效應，即雜交種的表現優(yōu)于中親值（圖2a–c），而控制塊莖代謝物含量的QTL（mQTL）主要呈現隱性效應，即雜交種中的含量低于中親值（圖2d）。進一步研究發(fā)現塊莖中淀粉（主要的大分子干物質）含量與超過80%的小分子代謝物呈顯著負相關（圖2e），將淀粉作為表型檢測時，表現為正向雜種優(yōu)勢效應（顯性/超顯性）的mQTLs比例顯著提高，這一現象可能與雜交種對資源/能量的高效或偏好利用有關。此外，作者還克隆了一個具有顯性雜種優(yōu)勢效應的PV1基因，該基因能夠賦予雜交種更好的花粉活力以及結實率。

圖3 馬鈴薯產量與代謝物雜種優(yōu)勢遺傳解析

在本研究中，研究人員利用轉錄組學、代謝組學和表型組學（包括RGB成像、結構光成像和高光譜成像）技術，鑒定了20,382個性狀和25,770個QTL。通過精準的表型數據采集和多組學數據整合分析，科學家們能夠更好地理解馬鈴薯的遺傳復雜性。此外，研究人員將采集的全生育期馬鈴薯植株表型圖像上傳到華中農業(yè)大學高通量作物表型中心網站上（華中農業(yè)大學作物表型中心 (http://plantphenomics.hzau.edu.cn/usercrop/Potato/image/2022-potato)），供所有研究者免費使用。

綜上所述，該研究通過高通量的表型組學技術揭示馬鈴薯遺傳結構，闡明了二倍體馬鈴薯雜交種“優(yōu)薯1號”雜種優(yōu)勢的遺傳機理，為馬鈴薯功能基因挖掘與雜交育種奠定了堅實的基礎。

基因組所博士后李大偉、華中農業(yè)大學博士生耿澤棟為該論文的共同第一作者，基因組所黃三文院士、張春芝研究員、華中農業(yè)大學楊萬能教授為該論文的通訊作者。該研究得到了廣東省基礎與應用基礎研究重大項目、國家自然科學基金、中國農科院科技創(chuàng)新工程、博士后創(chuàng)新人才支持計劃等項目資助。

[1] Zhang, C., Yang, Z., Tang D., Zhu, Y., Wang, P., Li, D., … & Huang S. (2021). Genome design of hybrid potato. Cell, 184, 3873-3883.e12.

[2] Li, D., Lu, X., Zhu, Y., Pan, J., Zhou, S., … & Huang S., Zhang. C. (2022). The multi-omics basis of potato heterosis. Journal of Integrative Plant Biology, 64(3), 671-687.

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